RU70051U1 - Батарея топливных элементов для автономного источника питания - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники, более конкретно, к устройствам для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую в топливных элементах и может найти применение при создании компактных автономных источников питания для потребителей мощностью единицы и десятки ватт, например, для зарядки сотовых телефонов. Решаемой задачей является создание сравнительно простой и эффективной батареи топливных элементов для автономного источника питания маломощной аппаратуры различного назначения, в том числе, устройств приема и обработки информации. Дополнительной к указанной является задача уменьшения габаритов и повышение эксплуатационных характеристик батареи топливных элементов при работе на водороде и воздухе. Указанная задача решается тем, что в батарее топливных элементов для автономного источника питания, содержащей, по крайней мере, две мембранно-электродные сборки, направленные друг к другу анодами и ограничивающие общую топливную камеру, торцевые пластины, каналы для подвода анодного и катодного газов, токовые выводы и средства для герметизации и соединения указанных элементов, согласно полезной модели, батарея содержит газораспределительную сборку, которая включает диэлектрическую пластину с газораспределительными каналами и укрепленными на ее противоположных сторонах анодными металлическими пластинами, снабженными окнами для подвода анодного газа к мембранно-электродным сборкам, последние герметично скреплены с указанной газораспределительной сборкой посредством торцевых пластин, снабженных средствами для стяжки батареи и окнами для подвода катодного газа к катодам мембранно-электродных сборок. Кроме того, газораспределительные каналы диэлектрической пластины могут быть выполнены в форме меандра и могут заканчиваться отверстиями в боковой стенке указанной пластины для подвода и отвода анодного газа, причем анодные пластины могут быть снабжены токовыми выводами для коммутации электрических цепей батареи, а указанные окна в анодных пластинах могут быть выполнены в виде параллельных прорезей, расположенных перпендикулярно газораспределительным каналам в диэлектрической пластине.

Кроме того, концевые плиты, мембранно-электродные сборки и пластины газораспределительной сборки могут иметь в плане квадратную форму и могут быть снабжены периферийными и центральным отверстием для равномерной стяжки батареи посредством винтов. Описание на 5 л., илл. на 1 л.

Description

Полезная модель относится к области электротехники, более конкретно, к устройствам для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую в топливных элементах и может найти применение при создании компактных автономных источников питания для потребителей малой мощности (единицы и десятки ватт), например, для устройств зарядки сотовых телефонов.

Известен плоский топливный элемент слоистой конструкции с твердым полимерным электролитом в виде плоской полимерной мембраны, на одну сторону которой нанесено множество анодов, а на другую - множество катодов, снабженных перфорированными металлическими пластинками, установленными в пластиковых рамках против электродов для их коммутации (см. патент США №6127058, МПК 7 Н01М 8/10, 2000 г.)

К недостаткам известного устройства, следует отнести сравнительно сложную конструкцию большого числа коммутирующих металлических пластин в плоском топливном элементе. Еще большей сложностью будет отличаться батарея, составленная из множества указанных плоских топливных элементов, что может привести к снижению надежности батареи.

Наиболее близкой по технической сущности является батарея топливных элементов для автономного источника питания, содержащая, по крайней мере, две мембранно-электродные сборки, направленные друг к другу анодами и ограничивающие общую топливную камеру, торцевые пластины, каналы для подвода анодного газа, токовые выводы и средства для герметизации и соединения указанных элементов (см. патент США №5902691, МПК 6 Н01М 8/00, 1997 г. - прототип).

К недостаткам известного устройства следует отнести ограничения по его использованию в качестве малогабаритного автономного источника питания для маломощных потребителей, в том числе, для устройств зарядки аккумуляторов сотовых телефонов при отсутствии стандартных источников электроэнергии, а также недостаточно равномерное поступление топливного газа к активной поверхности мембранно-электродных сборок, снижающее эффективность батареи топливных элементов.

Решаемой задачей является создание сравнительно простой, технологичной и эффективной батареи топливных элементов для автономного источника питания маломощной аппаратуры различного назначения, в том числе, устройств приема и обработки информации. Дополнительной к указанной является задача уменьшения габаритов и повышение эксплуатационных характеристик батареи топливных элементов при работе на водороде и воздухе.

Указанная задача решается тем, что в батарее топливных элементов для автономного источника питания, содержащей, по крайней мере, две мембранно-электродные сборки, направленные друг к другу анодами и ограничивающие общую топливную камеру, торцевые пластины, каналы для подвода анодного и катодного газов, токовые выводы и средства для герметизации и соединения указанных элементов, согласно полезной модели, батарея содержит газораспределительную сборку, которая включает диэлектрическую пластину с газораспределительными каналами и укрепленными на ее противоположных сторонах анодными металлическими пластинами, снабженными окнами для подвода анодного газа к мембранно-электродным сборкам, последние герметично скреплены с указанной газораспределительной сборкой посредством торцевых пластин, снабженных средствами для стяжки батареи и окнами для подвода катодного газа к катодам мембранно-электродных сборок.

Кроме того, газораспределительные каналы диэлектрической пластины могут быть выполнены в форме меандра и могут заканчиваться отверстиями в боковой стенке указанной пластины для подвода и отвода анодного газа, причем анодные пластины могут быть снабжены токовыми выводами для коммутации электрических цепей батареи, а указанные окна в анодных пластинах могут быть выполнены в виде параллельных прорезей, расположенных перпендикулярно газораспределительным каналам в диэлектрической пластине.

Кроме того, концевые плиты, мембранно-электродные сборки и пластины газораспределительной сборки могут иметь в плане квадратную форму и могут быть снабжены периферийными и центральным отверстием для равномерной стяжки батареи посредством винтов.

Такое выполнение автономного источника питания на топливных элементах позволяет создать сравнительно простое, компактное и эффективное устройство, в том числе, для зарядки аккумуляторов сотовых телефонов.

Благодаря использованию в предложенном устройстве мембранно-электродных сборок с общей топливной камерой описанной конструкции оказывается возможным предельно упростить, при прочих равных условиях, конструкцию батареи и повысить эксплуатационные характеристики предложенного источника питания на заданном уровне выходной электрической мощности. Конструкция газораспределительной сборки, расположенной между мембранно-электродными сборками и состоящей из скрепленных между собой диэлектрической пластины и двух анодных металлических пластин, обеспечивает равномерный доступ анодного газа к анодам мембранно-электродных сборок и стабилизацию электрохимических режимов их работы. Открытые внешние катодные поверхности мембранно-электродных сборок свободны для контакта с окружающим воздухом, являющимся в данном случае катодным газом.

На фиг.1, 2 представлены общие виды предложенной батареи топливных элементов и газораспределительной сборки.

Батарея топливных элементов для автономного источника питания, содержит две мембранно-электродные сборки 1, 2, направленные друг к другу анодами, ограничивающими общую топливную камеру. Между указанными сборками 1, 2 расположена газораспределительная сборка, состоящая из скрепленных между собой диэлектрической пластины 3 и укрепленными на ее противоположных сторонах анодными металлическими пластинами 4, снабженными окнами 5 для подвода анодного газа к мембранно-электродным сборкам 1, 2. Последние герметично скреплены с газораспределительной сборкой посредством торцевых пластин 6, снабженных винтами 7 для стяжки батареи и окнами 8 для подвода катодного газа к катодам мембранно-электродных сборок 1, 2.

Газораспределительные каналы 9 диэлектрической пластины 3 выполнены в форме меандра и заканчиваются отверстиями 10 в боковой стенке указанной пластины для подвода и отвода анодного газа. Анодные пластины 4 снабжены токовыми выводами 11 для коммутации с выводами 12, электрически соединенными с торцевыми пластинами 6. Указанные окна 5 в анодных пластинах 4 выполнены в виде параллельных прорезей, расположенных перпендикулярно газораспределительным каналам 9 в диэлектрической пластине 3.

Концевые плиты 6, мембранно-электродные сборки 1, 2 и пластины 3, 4 газораспределительной сборки имеют в плане квадратную форму и снабжены периферийными и центральным отверстием для равномерной стяжки батареи посредством винтов 7.

Пластины 4 выполнены из титанового или нержавеющего листа толщиной 0,5 мм заодно с электродами 11 и скреплены с диэлектрической пластиной 3 из пластмассы толщиной 4 мм в единую газораспределительную сборку. Батарея топливных элементов содержит две мембранно-электродные сборки 1, 2, выполненные на основе протонобменных мембран с газодиффузинными слоями. Протонобменная мембраны толщиной 25-150 мкм выполнены на основе материала NAFION. Газодиффузионные слои сборки могут быть выполнены из нетканого или тканого углеграфитового материала, а концевые пластины толщиной 1,2 - мм -также из титана или нержавеющей стали.

Герметизация мембранно-электродных сборок 1, 2 и пластин 3, 4 газораспределительной сборки между собой и относительно друг друга в направлении оси батареи осуществляется, преимущественно, с помощью тонких резиновых прокладок в периферийной и осевой части указанных сборок. Габаритные размеры одного из вариантов предложенной батареи топливных элементов для автономного источника питания составляют 62×62×8 мм.

Батарея топливных элементов работает следующим образом.

В начальный момент времени осуществляется продувка выделяющимся водородом топливной камеры для ее освобождения от воздуха. При выходе батареи топливных элементов на рабочий режим давление водорода в топливной камере должно находиться в диапазоне 0,01-0,1 МПа при температуре до 30°С. При выходной мощности 3 Вт время работы батареи должно составлять 0,5-1 час. При ее работе необходимо обеспечивать регулируемую подачу водорода и поддержание оптимального давления водорода в топливной камере. В предложенной батарее топливных элементов для автономного источника питания используется водород давлением до 0,1 МПа и воздух при нормальной температуре.

Водород поступает в отверстие 10 в стенке диэлектрической пластины 3 газораспределительной сборки и проходит по ее газораспределительным каналам 9 по направлению к выходному отверстию, обеспечивая равномерный доступ к анодам мембранно-электродных сборок 1, 2 через прорези в металлических пластинах 4 газораспределительной сборки. Воздух к открытым катодным поверхностям мембранно-электродных сборок 1, 2 поступает самостоятельно через окна 8 в концевых пластинах 6.

Для эффективной герметизации элементов батареи мембранно-электродные сборки 1, 2 скреплены с газораспределительной сборкой посредством торцевых пластин 6, снабженных винтами 7, обеспечивающих надежную стяжку батареи при избыточном давлении топливного газа в анодной камере. Эффективное газораспределение водорода обеспечивается за счет указанного выполнения и расположения каналов в диэлектрической пластине 3 и окон 5 в анодных пластинах 4, выполненных в виде параллельных прорезей, расположенных перпендикулярно газораспределительным каналам 9 в указанной пластине 3.

После подачи водорода в анодную камеру батарея топливных элементов самостоятельно выходит сначала на режим холостого хода, а при подключении потребителя - на рабочий режим с выработкой номинальной электрической и тепловой мощности.

Батарея топливных элементов предложенной конструкции разработана и испытана в Объединенном институте высоких температур РАН для использования в аппаратуре приема и обработки информации и, в частности, для зарядки блоков питания сотовых телефонов. Испытания подтвердили эффективность предложенного технического решения.

Claims (3)

1. Батарея топливных элементов для автономного источника питания, содержащая, по крайней мере, две мембранно-электродные сборки, направленные друг к другу анодами и ограничивающие общую топливную камеру, торцевые пластины, каналы для подвода анодного и катодного газов, токовые выводы и средства для герметизации и соединения указанных элементов, отличающаяся тем, что батарея содержит газораспределительную сборку, которая включает диэлектрическую пластину с газораспределительными каналами и укрепленными на ее противоположных сторонах анодными металлическими пластинами, снабженными окнами для подвода анодного газа к мембранно-электродным сборкам, последние герметично скреплены с указанной газораспределительной сборкой посредством торцевых пластин, снабженных средствами для стяжки батареи и окнами для подвода катодного газа к катодам мембранно-электродных сборок.

2. Батарея топливных элементов по п.1, отличающаяся тем, что газораспределительные каналы диэлектрической пластины выполнены в форме меандра и заканчиваются отверстиями в боковой стенке указанной пластины для подвода и отвода анодного газа, причем анодные пластины снабжены токовыми выводами для коммутации электрических цепей батареи, а указанные окна в анодных пластинах выполнены в виде параллельных прорезей, расположенных перпендикулярно газораспределительным каналам в диэлектрической пластине.

3. Батарея топливных элементов по п.1, отличающаяся тем, что концевые плиты, мембранно-электродные сборки и пластины газораспределительной сборки имеют в плане квадратную форму и снабжены периферийными и центральным отверстием для равномерной стяжки батареи посредством винтов.